RU2788662C1

RU2788662C1 - Method for production of mineral insulation

Info

Publication number: RU2788662C1
Application number: RU2022105633A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Гуреев; Максим Андреевич МИСЮРА
Original assignee: Акционерное общество "ТехноНИКОЛЬ"; Общество с ограниченной ответственностью "ЭР ЛИКИД"
Filing date: 2022-03-02
Publication date: 2023-01-24

Abstract

FIELD: production of building materials.

SUBSTANCE: A method for the production of mineral wool using a continuous shaft melting furnace. To melt the stone material, simultaneous supply of both oxygen-enriched air and natural gas through the tuyeres in the lower part of the furnace is provided for its combustion using burners placed in each tuyere evenly around the circumference of the furnace. Oxygen is supplied through concentrically arranged burner channels, where oxygen is supplied at the first speed through the central channel surrounded by a natural gas supply channel, and oxygen is supplied at the second speed through the outer burner channel concentrically located around the natural gas supply channel, the value of which is from 1 to 5 values of the first speed; moreover, oxygen and natural gas is fed through burners into the furnace tuyeres in a ratio from 0.9:1 to 1.4:1, respectively.

EFFECT: The present invention enables to reduce the consumption of solid fuel in the cupola by up to 50% by replacing the energy from the combustion of coke with the energy obtained from the combustion of other fuel, without significant changes in the melting process of the stone material and the composition of the exhaust gases.

11 cl, 3 dwg

Description

Уровень техникиState of the art

Минеральная вата является волокнистым материалом, находящим широкое применение в строительстве. Области ее применения - это тепловая изоляция стен и перекрытий, изоляция высокотемпературных поверхностей (печи, трубопроводы и т.д.), а также огнезащита и звукоизоляция различных конструкций.Mineral wool is a fibrous material that is widely used in construction. Its areas of application are thermal insulation of walls and ceilings, insulation of high-temperature surfaces (furnaces, pipelines, etc.), as well as fire protection and sound insulation of various structures.

Для производства минеральной ваты используют силикатные расплавы горных пород, металлургических шлаков и их смесей, которые получают путем плавления сырья в печах различных типов: шахтных (вагранках), ванных электродуговых, циклонных и конверторных.For the production of mineral wool, silicate melts of rocks, metallurgical slags and their mixtures are used, which are obtained by melting raw materials in furnaces of various types: mine (cupola), electric arc bath, cyclone and converter.

Вагранки - наиболее распространенный тип шахтной плавильной печи непрерывного действия, которые представляют собой вертикальный цилиндр с загрузкой каменного материала сверху и подачей воздуха, дополнительно обогащенного кислородом, в нижней части через специальные устройства - фурмы. Процесс плавления каменного материала в коксовой вагранке реализуется за счет его нагрева до температуры плавления газами, проходящими сквозь слой шихты снизу вверх, с высокой температурой, получаемой от окисления углерода кокса кислородом, содержащимся в дутьевом воздухе. Эффективность процесса плавления в производстве расплава для минеральной ваты обеспечивается за счет максимального использования окислительной реакции и минимизации восстановительной реакции, которая является эндотермической (проходит с поглощением тепла) и негативно влияет на производительность и удельный расход кокса, что повышает стоимость плавления. Полностью исключить восстановительную реакцию нельзя, а ее минимизация достигается применением литейного кокса с низкой реакционной способностью и снижением общего объема применяемого твердого топлива.Cupola furnaces - the most common type of continuous shaft melting furnace, which are a vertical cylinder with stone material loading from above and air supply, additionally enriched with oxygen, in the lower part through special devices - tuyeres. The process of melting stone material in a coke cupola is realized by heating it to the melting temperature by gases passing through the charge layer from bottom to top, with a high temperature obtained from the oxidation of coke carbon by oxygen contained in the blast air. The efficiency of the melting process in the production of mineral wool melt is ensured by maximizing the use of the oxidizing reaction and minimizing the reducing reaction, which is endothermic (heat is absorbed) and negatively affects productivity and coke consumption, which increases the cost of melting. It is impossible to completely exclude the reduction reaction, and its minimization is achieved by using foundry coke with low reactivity and reducing the total volume of solid fuel used.

Фурмы для подачи дутьевого воздуха расположены в нижней части вагранки на одном уровне по окружности вагранки и на одинаковом расстоянии друг от друга, что создает максимально равномерное распределение температур по сечению вагранки. Это позволяет обеспечить равномерный прогрев и плавление каменного материала и впоследствии получить максимально гомогенный расплав каменного материала, что требуется для получения минерального волокна высокого качества.The tuyeres for supplying blast air are located in the lower part of the cupola at the same level along the circumference of the cupola and at the same distance from each other, which creates the most uniform temperature distribution over the cross section of the cupola. This makes it possible to ensure uniform heating and melting of the stone material and subsequently to obtain the most homogeneous melt of the stone material, which is required to obtain a high quality mineral fiber.

В условиях возрастающего дефицита литейного кокса и его стоимости актуальной становится задача по замене кокса более дешевыми газообразным и жидким видами топлива, например, природным газом, и по созданию эффективных способов их сжигания.Under the conditions of an increasing shortage of foundry coke and its cost, the task of replacing coke with cheaper gaseous and liquid fuels, such as natural gas, and creating efficient ways to burn them, becomes an urgent task.

Еще одной проблемой, связанной с использованием кокса в шахтных печах при производстве минеральной ваты, является загрязнение окружающей среды токсичными выхлопными газами, в частности монооксидом углерода СО - угарным газом, который образуется при сжигании кокса в результате побочной реакции.Another problem associated with the use of coke in shaft furnaces in the production of mineral wool is environmental pollution with toxic exhaust gases, in particular carbon monoxide CO - carbon monoxide, which is formed during the combustion of coke as a result of a side reaction.

Процесс получения тепла от твердого топлива (кокса или его заменителей) описывается следующими основными реакциями.The process of obtaining heat from solid fuel (coke or its substitutes) is described by the following main reactions.

1. С + О₂ = СО₂ + 94,05 ккал/моль или 7830 ккал/кг (основная реакция);1. C + O ₂ \u003d CO ₂ + 94.05 kcal / mol or 7830 kcal / kg (main reaction);

Воздух, вдуваемый в вагранку через фурмы, содержит до 21% кислорода. Кислород сразу же вступает во взаимодействие с углеродом раскаленного кокса. В условиях избытка кислорода (в зонах вдувания воздуха) горение кокса происходит с образованием продуктов полного сгорания CO₂ и выделением большого количества теплоты.The air blown into the cupola through the tuyeres contains up to 21% oxygen. The oxygen immediately reacts with the carbon of the hot coke. Under conditions of excess oxygen (in the zones of air injection), the combustion of coke occurs with the formation of products of complete combustion of CO ₂ and the release of a large amount of heat.

2. 2С + О₂ = 2СО + 52,83 ккал/моль или 4400 ккал/кг (побочная реакция, которая протекает ближе к центру печи, где преобладает дефицит кислорода).2. 2C + O ₂ \u003d 2CO + 52.83 kcal / mol or 4400 kcal / kg (a side reaction that occurs closer to the center of the furnace, where oxygen deficiency predominates).

По мере удаления от фурм к центральной оси вагранки содержание свободного кислорода снижается, при этом горение кокса уже происходит и с образованием продукта неполного сгорания (СО) и выделением меньшего количества теплоты.As the distance from the tuyeres to the central axis of the cupola, the content of free oxygen decreases, while the combustion of coke already occurs with the formation of an incomplete combustion product (CO) and the release of less heat.

Соотношение окисления углерода в вагранке по первой и второй реакциях в среднем составляет 75%/25%, на это указывает соотношение CO₂ и СО в отходящих газах.The ratio of carbon oxidation in the cupola according to the first and second reactions is on average 75%/25%, as indicated by the ratio of CO ₂ and CO in the exhaust gases.

3. С + CO₂ = 2СО - 41,3 ккал/моль или 3440 ккал/кг (восстановительная реакция, протекающая выше кислородной зоны).3. C + CO ₂ \u003d 2CO - 41.3 kcal / mol or 3440 kcal / kg (reduction reaction occurring above the oxygen zone).

Выше уровня фурм, появляется зона, где свободный кислород практически отсутствует по причине полного расходования в нижележащих слоях. В этих условиях горение кокса происходит за счет кислорода, химически связанного в CO₂, с образованием монооксида углерода СО.Above the level of the lances, a zone appears where free oxygen is practically absent due to complete consumption in the underlying layers. Under these conditions, the combustion of coke occurs due to oxygen chemically bound in CO ₂ with the formation of carbon monoxide CO.

Реакция протекает с поглощением теплоты. Это способствует снижению температуры ваграночных газов в верхних слоях шахты.The reaction proceeds with the absorption of heat. This helps to reduce the temperature of cupola gases in the upper layers of the mine.

Таким образом, в около фурменных зонах шахты, где горение кокса происходит с участием свободного кислорода и выделением большого количества теплоты, достигается максимальная температура. Ближе к центру вагранки и выше зоны фурм, где есть дефицит кислорода, сгорание кокса происходит значительно менее эффективно.Thus, in the near-tuyere zones of the mine, where the combustion of coke occurs with the participation of free oxygen and the release of a large amount of heat, the maximum temperature is reached. Closer to the center of the cupola and above the tuyere zone, where there is oxygen deficiency, coke combustion is much less efficient.

Таким образом, особенности процесса в коксовой вагранке не позволяют избежать значительной доли реакций с неэффективным расходованием кокса.Thus, the features of the process in a coke cupola do not allow avoiding a significant proportion of reactions with inefficient coke consumption.

Процесс окисления природного газа протекает по следующей реакции:The process of natural gas oxidation proceeds according to the following reaction:

4. СН₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + 8555 ккал/нм³ 4. CH ₄ + 2O ₂ \u003d CO ₂ + 2H ₂ O + 8555 kcal / nm ³

В результате замещения части энергии, получаемой от сжигания кокса на энергию от сжигания газа, которая выделяется в результате прямой реакции стехиометрического состава газа и кислорода и не имеющих побочных реакций, как в случае со сжиганием кокса, получается снижение выбросов СО в отходящих газах. При замене хотя бы части кокса на природный газ количество выбросов угарного газа сократится, в результате чего производство станет более экологичным.As a result of replacing part of the energy received from coke combustion with energy from gas combustion, which is released as a result of a direct reaction of the stoichiometric composition of gas and oxygen and does not have side reactions, as in the case of coke combustion, a reduction in CO emissions in flue gases is obtained. By replacing at least part of the coke with natural gas, carbon monoxide emissions will be reduced, making production more environmentally friendly.

Таким образом, одним из способов получения минеральной ваты в коксовой вагранке, ведущим к экономии дефицитного кокса и снижению количества выбросов выхлопных газов, является способ, связанный с частичной заменой твердого топлива, т.е. кокса, на более дешевый и экологичный природный газ.Thus, one of the methods for producing mineral wool in a coke cupola, leading to saving scarce coke and reducing the amount of exhaust gases, is a method associated with partial replacement of solid fuel, i.e. coke to cheaper and more environmentally friendly natural gas.

В патентной публикации US 2015176095 A1, 25.06.2012 описана шахтная печь, а именно вагранка, для плавления металлических материалов, в частности чугуна. Однако в данной публикации указано, что такая печь может быть также использована для производства неметаллических материалов, в том числе минеральной ваты.In patent publication US 2015176095 A1, 06/25/2012, a shaft furnace, namely a cupola furnace, is described for melting metallic materials, in particular cast iron. However, this publication indicates that such a furnace can also be used for the production of non-metallic materials, including mineral wool.

В известном устройстве используется измельченное (мелкодисперсное) твердое топливо (кокс и антрацит) и исходное сырье, которое загружается сверху навстречу потокам горячих газов с образованием вихревых потоков, внутри которых происходит плавление материала, т.е. это так называемая циклонная печь. В этой печи часть фурм оборудована топливно-кислородными горелками, в которые подают природный газ и газообразный кислород, необходимый для его сжигания, для замещения части энергии, получаемой от сжигания кокса на энергию, получаемую от сжигания природного газа. Вторая часть фурм оснащена инжекторами газообразного кислорода для интенсификации сгорания кокса внутри вагранки.The known device uses crushed (finely dispersed) solid fuel (coke and anthracite) and feedstock, which is loaded from above towards the hot gas flows with the formation of vortex flows, inside which the material melts, i.e. this is the so-called cyclone furnace. In this furnace, some of the lances are equipped with oxy-fuel burners, which are supplied with natural gas and gaseous oxygen necessary for its combustion, in order to replace part of the energy obtained from burning coke with energy obtained from burning natural gas. The second part of the lances is equipped with gaseous oxygen injectors to intensify the combustion of coke inside the cupola.

В описанной конструкции нет постоянного слоя шихты и, соответственно, нет сопротивления отходящим газам и проблем равномерного проникновения горячих газов и кислорода по всему сечению печи, важен объем кислорода, его направление и скорость.In the described design, there is no constant layer of charge and, accordingly, there is no resistance to exhaust gases and problems of uniform penetration of hot gases and oxygen throughout the furnace section, the volume of oxygen, its direction and speed are important.

Таким образом, в известном устройстве реализуется способ, являющийся комбинацией частичной замены энергии от сжигания кокса на энергию от сжигания природного газа и кислородного обогащения, в котором непосредственно в фурму подают кислород и в результате чего повышается скорость плавления исходного сырья и снижается расход используемого кокса.Thus, in the known device, a method is implemented that is a combination of partial replacement of energy from burning coke with energy from burning natural gas and oxygen enrichment, in which oxygen is supplied directly to the tuyere and, as a result, the melting rate of the feedstock increases and the consumption of used coke decreases.

К недостаткам такого подхода следует отнести конструктивную сложность используемого устройства, поскольку вагранку необходимо оборудовать как инжекторами кислорода, так и топливно-кислородными горелками, а также низкую гибкость процесса производства.The disadvantages of this approach include the structural complexity of the device used, since the cupola must be equipped with both oxygen injectors and oxy-fuel burners, as well as the low flexibility of the production process.

Таким образом, до настоящего времени существует потребность в разработке вагранки для производства минеральной ваты, позволяющей получить продукт (минеральную вату) с меньшими финансовыми и трудовыми затратами, повышенной гибкостью управления процессом плавления сырья, увеличенной производительностью и экологичностью по сравнению с существующими коксовыми вагранками и с сохранением высокого качества.Thus, to date, there is a need to develop a cupola for the production of mineral wool, which makes it possible to obtain a product (mineral wool) with lower financial and labor costs, increased flexibility in controlling the process of melting raw materials, increased productivity and environmental friendliness compared to existing coke ovens and with the preservation of High Quality.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Для решения указанной задачи в настоящем изобретении предложен способ производства минеральной ваты в шахтной плавильной печи непрерывного действия с частичной (до 30%) заменой твердого топлива на более дешевый и экологичный природный газ, что позволяет увеличить производительность печи на 5-15%. Технические возможности изменения настройки мощности горелок позволяют варьировать снижение дозирования кокса или его заменителей в вагранку до 30%, а в предельных режимах работы системы даже до 50%. Дальнейшее снижение дозирования кокса приводит к ухудшению процесса плавления в вагранке по причине критического уменьшения объема газов, которые передают тепловую энергию камню, и падению производительности вагранки. Также это может привести к повышенной термической нагрузке на детали печи и быстрому износу и выходу из строя оборудования.To solve this problem, the present invention proposes a method for the production of mineral wool in a continuous shaft melting furnace with partial (up to 30%) replacement of solid fuel with cheaper and more environmentally friendly natural gas, which allows increasing the productivity of the furnace by 5-15%. The technical possibilities of changing the power settings of the burners make it possible to vary the reduction in the dosing of coke or its substitutes into the cupola furnace up to 30%, and even up to 50% in the limiting operating modes of the system. A further reduction in coke dosing leads to a deterioration in the melting process in the cupola due to a critical decrease in the volume of gases that transfer thermal energy to the stone, and a drop in the performance of the cupola. It can also lead to increased thermal stress on the furnace parts and rapid wear and failure of equipment.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить снижение расхода твердого топлива в вагранке по производству минеральной ваты и продуктов из нее, за счет конструктивного решения, заключающегося в объединении газокислородных горелок и кислородного обогащения в одном устройстве, и технологического решения, заключающегося в установке этих устройств во все без исключения штатные фурмы, объединив таким образом со штатной системой подачи воздуха в вагранку. Поскольку применяемое газообразное (жидкое) топливо значительно дешевле, чем твердое, то его применение позволяет снизить себестоимость минеральной ваты.The proposed method makes it possible to reduce the consumption of solid fuel in a cupola for the production of mineral wool and products from it, due to the constructive solution, which consists in combining gas-oxygen burners and oxygen enrichment in one device, and a technological solution, which consists in installing these devices in all standard equipment without exception. tuyeres, thus combining with the regular system of air supply to the cupola. Since the used gaseous (liquid) fuel is much cheaper than solid fuel, its use can reduce the cost of mineral wool.

Для решения поставленной задачи разработана и применена система газо-кислородного горения, которая предусматривает использование в вагранке горелочных устройств цилиндрической формы для размещения в горизонтальной плоскости, в сечение фурмы, через которую подается воздух непосредственно в вагранку.To solve this problem, a gas-oxygen combustion system was developed and applied, which provides for the use of cylindrical burners in the cupola for placement in a horizontal plane, in the section of the tuyere, through which air is supplied directly to the cupola.

Конструкция горелок и места установки их в вагранку, а также соответствующая система регулирования контроля горения, разработаны с учетом необходимости обеспечить максимальную равномерность тепловых и воздушных потоков внутри вагранки.The design of the burners and their installation locations in the cupola, as well as the corresponding combustion control regulation system, have been developed taking into account the need to ensure maximum uniformity of heat and air flows inside the cupola.

В частности, предложен способ производства минеральной ваты с использованием шахтной плавильной печи непрерывного действия, в котором:In particular, a method is proposed for the production of mineral wool using a continuous shaft melting furnace, in which:

обеспечивают непрерывную подачу в верхнюю часть печи каменного материала в смеси с твердым углеродным топливом;provide continuous supply to the upper part of the furnace stone material mixed with solid carbon fuel;

обеспечивают одновременную подачу через фурмы в нижней части печи как обогащенного кислородом воздуха, так и природного газа, необходимого для его сжигания, с помощью горелок, размещенных в каждой фурме равномерно по окружности печи;provide simultaneous supply through the tuyeres in the lower part of the furnace as oxygen-enriched air and natural gas required for its combustion, using burners placed in each tuyere evenly around the circumference of the furnace;

причем подачу кислорода через каждую фурму осуществляют через концентрически расположенные каналы горелки, где с первой скоростью кислород подают через центральный канал, окруженный каналом подачи природного газа, а через наружный канал горелки, концентрически расположенный вокруг канала подачи природного газа, подают кислород со второй скоростью, величина которой составляет от 1 до 5 величин первой скорости; причем кислород и природный газ подают через горелки в фурмы печи в соотношении от 0,9:1 до 1,4:1, соответственно;moreover, the supply of oxygen through each lance is carried out through concentrically located burner channels, where oxygen is supplied at the first speed through the central channel surrounded by the natural gas supply channel, and oxygen is supplied at the second speed through the outer burner channel, concentrically located around the natural gas supply channel, the value which is from 1 to 5 values of the first speed; moreover, oxygen and natural gas are fed through the burner into the tuyeres of the furnace in a ratio of from 0.9:1 to 1.4:1, respectively;

обеспечивают смешивание газо-кислородно-воздушной смеси в горелках и ее горение для осуществления плавления каменного материала;provide mixing of the gas-oxygen-air mixture in the burners and its combustion for the implementation of the melting of the stone material;

направляют полученный расплав на установку волокнообразования, а затем на установки формирования минераловатного ковра.the resulting melt is sent to the fiberization unit, and then to the mineral wool carpet formation unit.

В качестве установки волокнообразования используют центрифугу, которая представляет собой устройство с четырьмя валками, вращающимися навстречу друг другу, где расплав переходит с последовательно с одного валка на другой. В ходе этого процесса за счет центробежной силы частицы расплава отделяются от поверхности валка и вытягиваются в волокно, которое далее подхватывается потоком воздуха отдува центрифуги и завершается формирование волокна. Одновременно с этим происходит нанесение распыленного до мелкодисперсного состояния раствора связующего вещества. Далее волокна осаждаются на перфорированную поверхность транспортера камеры волокноосаждения и происходит формирование первичного ковра. Затем полученный ковер раскладывается специальным устройством - маятником, для придания ему в дальнейшем лучших потребительских свойств, после чего ковер поступает в камеру полимеризации связующего, где происходит испарение влаги и твердение связующего. После выхода их камеры ковер охлаждают, нарезают на плиты и упаковывают.As a fiberization unit, a centrifuge is used, which is a device with four rolls rotating towards each other, where the melt passes sequentially from one roll to another. During this process, due to the centrifugal force, the melt particles are separated from the surface of the roll and drawn into the fiber, which is then picked up by the centrifuge blowing air flow and fiber formation is completed. At the same time, a binder solution sprayed to a finely dispersed state is applied. Next, the fibers are deposited on the perforated surface of the conveyor of the fiber deposition chamber and the primary carpet is formed. Then the resulting carpet is laid out with a special device - a pendulum, to give it better consumer properties in the future, after which the carpet enters the binder polymerization chamber, where moisture evaporates and the binder hardens. After leaving their chamber, the carpet is cooled, cut into slabs and packaged.

В одном варианте осуществления способа по изобретению обеспечивают повышенную скорость истечения дутьевых газов, образующихся в фурме в результате горения природного газа, в диапазоне 50-65 м/с, предпочтительно 54-60 м/с.In one embodiment of the method according to the invention, an increased velocity of the blast gases generated in the tuyere as a result of natural gas combustion is provided in the range of 50-65 m/s, preferably 54-60 m/s.

При этом повышение скорости истечения дутьевых газов обеспечивают путем уменьшения выходного сечения фурмы на 15-20% по сравнению с исходным диаметром штатной фурмы печи без установленных горелок.At the same time, an increase in the rate of outflow of blast gases is provided by reducing the outlet section of the tuyere by 15-20% compared to the initial diameter of the standard tuyere of the furnace without installed burners.

В одном варианте осуществления способа по изобретению соотношение объема кислорода, подаваемого через центральный и наружный каналы, регулируют в диапазоне от 0,1:1 до 1:1.In one embodiment of the method according to the invention, the ratio of the volume of oxygen supplied through the central and outer channels, regulate in the range from 0.1:1 to 1:1.

В одном варианте осуществления способа по изобретению подачу кислорода через центральный канал осуществляют со скоростью 40-340 м/с.In one embodiment of the method according to the invention, the supply of oxygen through the central channel is carried out at a speed of 40-340 m/s.

В одном варианте осуществления способа по изобретению подачу кислорода через наружный канал осуществляют в горизонтальном направлении со скоростью 40-60 м/с.In one embodiment of the method according to the invention, oxygen is supplied through the outer channel in a horizontal direction at a speed of 40-60 m/s.

Для подбора наиболее эффективного режима плавления плавно регулируют мощность всех горелок или по выбору отключают часть горелок.To select the most efficient melting mode, the power of all burners is smoothly regulated or some of the burners are turned off at choice.

При этом общую вырабатываемую тепловую мощность можно распределять поровну между всеми работающими горелками, в частности, ее можно регулировать путем изменения объемов кислорода и природного газа, а также количества работающих горелок. При выключении более двух горелок мощность остальных работающих горелок должна быть повышена не более, чем на 400 кВт на горелку.In this case, the total thermal power generated can be distributed equally among all operating burners, in particular, it can be controlled by changing the volumes of oxygen and natural gas, as well as the number of operating burners. When turning off more than two burners, the power of the remaining burners in operation must be increased by no more than 400 kW per burner.

Предложенная технология позволяет сохранить высокое качество получаемой минеральной ваты, повысить производительность вагранки, повысить гибкость управления режимами печи, повысить экологические показатели работы вагранки.The proposed technology makes it possible to maintain the high quality of the resulting mineral wool, increase the productivity of the cupola, increase the flexibility of controlling the furnace modes, and improve the environmental performance of the cupola.

Предлагаемый способ позволяет снизить расход твердого топлива в вагранке на величину до 50% за счет замещения энергии от сжигания кокса на энергию, получаемую от сжигания другого топлива, без существенных изменений процесса плавления каменного материала и состава отходящих газов.The proposed method allows to reduce the consumption of solid fuel in the cupola by up to 50% due to the replacement of energy from the combustion of coke with the energy obtained from the combustion of other fuels, without significant changes in the process of melting stone material and the composition of the exhaust gases.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На Фиг. 1 представлено изображение устройства усовершенствованной коксовой вагранки, в которой реализован способ по изобретению.On FIG. 1 is a representation of an improved coke cupola arrangement in which the method of the invention is implemented.

На Фиг. 2 показано схематическое изображение фурмы вагранки, оснащенной газокислородной горелкой, в поперечном разрезе.On FIG. 2 shows a schematic cross-section of a cupola tuyere equipped with an oxy-gas burner.

На Фиг. 3 показано расположение газокислородных горелок в фурмах вагранки, вид сверху.On FIG. 3 shows the location of the oxy-fuel burners in the cupola tuyeres, top view.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На Фиг. 1 показано устройство коксовой вагранки для производства минеральной ваты, содержащей топливно-кислородные горелки 2 (см. также Фиг. 2), размещенные в фурмах 1 с помощью фланцев 6, оснащенных устройствами для крепления горелок 2.On FIG. 1 shows the arrangement of a coke furnace for the production of mineral wool, containing fuel-oxygen burners 2 (see also Fig. 2), placed in tuyeres 1 with the help of flanges 6, equipped with devices for attaching burners 2.

На Фиг. 3 показано размещение горелок в фурмах вагранки, проходящих через внутренний корпус 8 и внешний корпус 9.On FIG. 3 shows the placement of burners in cupola lances passing through the inner casing 8 and the outer casing 9.

Вагранка по изобретению имеет два источника энергии, необходимой для расплавления сырьевого материала. Часть энергии получают от сгорания твердого топлива (кокса), а другую часть от сгорания смеси жидкого или газообразного топлива с кислородом.The cupola according to the invention has two sources of energy needed to melt the raw material. Part of the energy is obtained from the combustion of solid fuel (coke), and the other part from the combustion of a mixture of liquid or gaseous fuel with oxygen.

Конструкция топливно-кислородной горелки 2 в комплексе ваграночной (шахтной) печи предусматривает возможность ее работы в различных режимах. Общую тепловую мощность горелок можно регулировать путем изменения объемов топлива и окислителя, подаваемого по каналам 3, 4 и 5, а также количества работающих горелок. Поддув воздуха осуществляют через газоход 7.The design of the fuel-oxygen burner 2 in the cupola (shaft) furnace complex provides for the possibility of its operation in various modes. The total thermal output of the burners can be controlled by changing the volumes of fuel and oxidizer supplied through channels 3, 4 and 5, as well as the number of burners operating. Air is blown through the gas duct 7.

Общая вырабатываемая горелками 2 тепловая мощность может быть поровну распределена между всеми горелками. Также, для подбора наиболее эффективного режима работы вагранки, часть горелок 2 по выбору может быть выключена. Для обеспечения равномерного процесса плавления управление последовательностью включения горелок и их мощностью может осуществляться согласно заложенному в программу алгоритму.The total heat output generated by the burners 2 can be equally distributed among all burners. Also, to select the most efficient mode of operation of the cupola, part of the burners 2 can be optionally turned off. To ensure a uniform melting process, the sequence of switching on the burners and their power can be controlled according to the algorithm embedded in the program.

Для обеспечения достижения максимального эффекта от использования газокислородных горелок необходимо обеспечить оптимальную скорость истечения воздуха из фурмы. В результате многочисленных экспериментов с использованием различных диаметров сечения фурм, фракций кокса и объема дутьевого воздуха был рассчитан диапазон оптимальных скоростей истечения потока воздуха из фурм для коксовой вагранки, который составляет 50-65 м/с, предпочтительно 54-60 м/с. При отклонении от этого диапазона снижается эффективность сжигания твердого топлива. При меньшей скорости будет меньше концентрация кислорода по мере удаления от фурм к центру вагранки, выше доля реакции 2 с менее эффективным тепловыделением. Если выше, то увеличение доли реакции 1 не происходит по причине сопротивления слоя твердого топлива, но растет давление в вагранке что приводит к нестабильному истечению расплава из вагранки и ухудшению процесса волокнообразования. Это позволило минимизировать объем зон, где есть дефицит кислорода и сгорание кокса происходит значительно менее эффективно.To ensure the achievement of the maximum effect from the use of gas-oxygen burners, it is necessary to ensure the optimal rate of air outflow from the tuyere. As a result of numerous experiments using different cross-sectional diameters of tuyeres, coke fractions and volume of blast air, the range of optimal air flow rates from tuyeres for a coke cupola was calculated, which is 50-65 m/s, preferably 54-60 m/s. When deviating from this range, the efficiency of solid fuel combustion decreases. At a lower speed, the oxygen concentration will be lower with distance from the tuyeres to the center of the cupola, the proportion of reaction 2 with less efficient heat release will be higher. If it is higher, then the increase in the proportion of reaction 1 does not occur due to the resistance of the solid fuel layer, but the pressure in the cupola increases, which leads to an unstable outflow of the melt from the cupola and deterioration of the fiber formation process. This made it possible to minimize the volume of zones where there is an oxygen deficiency and coke combustion is much less efficient.

При загрузке коксовой вагранки уровень смеси шихты и кокса постоянно пополняют путем непрерывной загрузки порций каменного материала и кокса. Для обеспечения достаточной проницаемости слоя шихты для горячих газов, идущих снизу вверх и прогревающих материал до температуры плавления, необходимо использовать крупные фракции кускового материала. Кроме того, при снижении количества используемого кокса равномерность его распределения снижается. В этом случае может возникнуть некоторая неравномерность распределения крупных кусков кокса по сечению вагранки, что приведет к неравномерному количеству кокса в зоне работы разных фурм и нарушит равномерность процесса плавления. Такую неравномерность процесса плавления можно устранить путем регулирования мощности горелок, а также включения или выключения отдельных горелок, то есть выборочно задействовав отдельные фурмы, что повышает гибкость в настройках вагранки.When loading a coke cupola, the level of the mixture of charge and coke is constantly replenished by continuously loading portions of stone material and coke. To ensure sufficient permeability of the charge layer for hot gases going from bottom to top and heating the material to the melting temperature, it is necessary to use large fractions of lumpy material. In addition, with a decrease in the amount of coke used, the uniformity of its distribution decreases. In this case, some uneven distribution of large pieces of coke over the cross section of the cupola may occur, which will lead to an uneven amount of coke in the area of operation of different tuyeres and disrupt the uniformity of the melting process. This non-uniformity of the melting process can be eliminated by adjusting the power of the burners, as well as turning on or off individual burners, that is, selectively using individual tuyeres, which increases the flexibility in the settings of the cupola.

Предложенная конфигурация системы по изобретению позволяет выравнивать суммарную мощность системы при выключении части горелок за счет других горелок. При этом при выключении одной или двух горелок необходимо выравнивать суммарную мощность для баланса работы остальных горелок. Если выключается больше двух горелок, мощность остальных горелок не должна повышаться более, чем на 400 кВт на горелку, что обусловлено техническими ограничениями конструкции горелок и размером фурменного пространства.The proposed configuration of the system according to the invention makes it possible to equalize the total power of the system when some of the burners are turned off at the expense of other burners. In this case, when one or two burners are turned off, it is necessary to equalize the total power to balance the operation of the remaining burners. If more than two burners are switched off, the power of the remaining burners should not increase by more than 400 kW per burner, due to the technical limitations of the burner design and the size of the tuyere space.

При этом в ходе промышленных испытаний определено, что для плавности протекания процессов опасно регулировать процесс отключением горелок. Оптимальным является плавное регулирование мощности.At the same time, in the course of industrial tests, it was determined that for the smoothness of the processes it is dangerous to regulate the process by turning off the burners. Smooth power control is optimal.

Газокислородная горелка 2 состоит из трех коаксиально расположенных трубчатых каналов, между которыми установлены центрирующие ребра:The oxy-fuel burner 2 consists of three coaxially arranged tubular channels, between which centering ribs are installed:

центральный канал (кислородное копье) со сменным инжекторами, предназначенными для инжекции кислорода с высокой или низкой скоростью 40-340 м/с,central channel (oxygen lance) with interchangeable injectors designed to inject oxygen at a high or low speed of 40-340 m/s,

средний канал - для инжекции природного газа,middle channel - for natural gas injection,

наружный канал- для инжекции кислорода с низкой скоростью 40-60 м/с.the outer channel is for oxygen injection at a low speed of 40-60 m/s.

Такая конструкция обеспечивает, по существу, кольцевую струю окислителя снаружи топливного потока. При этом внешняя струя кислорода имеет меньший импульс, чем центральная струя топлива.This design provides a substantially annular oxidizer jet outside the fuel stream. In this case, the outer jet of oxygen has a smaller momentum than the central jet of fuel.

Газокислородную горелку 2 устанавливают коаксиально в воздушную фурму 1 вагранки, вдоль ее продольной оси, на глубину равную 2-4 выходных внутренних диаметра фурмы от переднего края фурмы. Если установить ее глубже (более 4 диаметров), то факел раскрывается и пламя негативно воздействует на материал фурмы. В случае размещения горелки на глубине менее 2 диаметров снижается эффективность реакции горения, так как газ с кислородом не успевает прореагировать. Таким образом, в предложенном варианте размещения образуется, по сути, газо-кислородо-воздушная водоохлаждаемая горелка, дополненная камерой смешения, где все среды: природный газ, кислород и воздушное дутье инжектируются концентрически, смешиваются в определенном соотношении топлива к окислителям, для получения горючей смеси. При возгорании эта топливо-кислородная смесь горит в камере смешения фурмы в избытке воздушного дутья, также обогащенного кислородом, образуя высокоэнергетические дутьевые газы, содержащие продукты газо-кислородо-воздушного горения и непрореагировавший избыточный кислород, которые, проходя через выходное сечение фурмы, инжектируются в вагранку и используются частично для нагрева и плавления материалов каменной шихты. Избыточный кислород воздуха дутьевых газов используется для горения твердого топлива как основного топлива вагранки, используемого для плавления шихты.The oxy-fuel burner 2 is installed coaxially in the air tuyere 1 of the cupola, along its longitudinal axis, to a depth equal to 2-4 outlet inner diameters of the tuyere from the front edge of the tuyere. If you install it deeper (more than 4 diameters), then the torch opens and the flame negatively affects the material of the tuyere. If the burner is placed at a depth of less than 2 diameters, the efficiency of the combustion reaction decreases, since the gas with oxygen does not have time to react. Thus, in the proposed layout, in fact, a gas-oxygen-air water-cooled burner is formed, supplemented by a mixing chamber, where all media: natural gas, oxygen and air blast are injected concentrically, mixed in a certain ratio of fuel to oxidizers, to obtain a combustible mixture . When ignited, this fuel-oxygen mixture burns in the mixing chamber of the tuyere in an excess of air blast, also enriched with oxygen, forming high-energy blast gases containing products of gas-oxygen-air combustion and unreacted excess oxygen, which, passing through the outlet section of the tuyere, are injected into the cupola and are used partly for heating and melting of stone charge materials. The excess oxygen in the air from the blast gases is used to burn solid fuel as the main fuel of the cupola furnace used to melt the charge.

Через саму горелку концентрически подается кислород копья, природный газ и чистый кислород горелки, а через фурму подается подогретое воздушное дутье, которое также может быть обогащено кислородом.Lance oxygen, natural gas and pure burner oxygen are supplied concentrically through the burner itself, and heated air blast is supplied through the lance, which can also be enriched with oxygen.

Учитывая, что горелка располагается внутри фурмы, тремя основными факторами данной системы, обеспечивающими стабильность технологического режима плавления шихты в вагранке, являются:Considering that the burner is located inside the tuyere, the three main factors of this system that ensure the stability of the technological mode of melting the charge in the cupola are:

1. Температура дутьевого газа на выходе из фурмы.1. The temperature of the blast gas at the outlet of the tuyere.

2. Объем и скорость истечения дутьевого газа из фурмы.2. Volume and velocity of blast gas outflow from the tuyere.

3. Длина факела в камере смешения от горения природного газа в окислительной среде.3. The length of the torch in the mixing chamber from the combustion of natural gas in an oxidizing environment.

Дутьевые газы образуются в фурме в результате горения природного газа в окислительной среде воздушного дутья и чистого кислорода. Их основной состав, в который входит N₂, О₂, СО₂, Н₂О неизменен, но объемная доля газов, входящих в состав дымовых газов, может изменяться за счет изменения подачи природного газа и кислорода через горелку, а также воздушного (окислительного) дутья через фурму. Высокая температура дутьевых газов на выходе из фурмы, а также чрезмерно избыточное содержание кислорода в них, оказывают негативное влияние на конструктивные элементы фурмы. Металлический наконечник и корпус фурмы, локально перегреваясь, начинают активно взаимодействовать с кислородом проплавляя оба конструктивных элемента. В итоге это может привести к их прожигу, внеплановому простою и дорогому ремонту вагранки.Blast gases are formed in the tuyere as a result of the combustion of natural gas in an oxidizing environment of air blast and pure oxygen. Their main composition, which includes N ₂ , O ₂ , CO ₂ , H ₂ O, is unchanged, but the volume fraction of gases that make up the flue gases can change due to changes in the supply of natural gas and oxygen through the burner, as well as air (oxidizing ) blast through the tuyere. The high temperature of the blast gases at the outlet of the tuyere, as well as excessively excessive oxygen content in them, have a negative impact on the structural elements of the tuyere. The metal tip and the body of the lance, locally overheating, begin to actively interact with oxygen, melting through both structural elements. As a result, this can lead to their burning, unscheduled downtime and expensive repair of the cupola.

Для уменьшения негативного влияния данного фактора, экспериментально были определены режимы работы системы «Фурма-Газокислородная горелка», а именно, соотношение подаваемого на газокислородную горелку чистого кислорода и природного газа выдерживается в соотношении от 0,9:1 до 1,4:1, соответственно, т.е. стехиометрический коэффициент по кислороду α составляет от 0,45 до 0,7. В этом случае часть природного газа при истечении из горелки активно реагирует с кислородом и сгорает вблизи ее устья, а непрореагировавший газ догорает в объеме воздушного дутья, подаваемом для горения кокса в вагранке. Таким образом, в способе по изобретению обеспечена возможность подобрать и поддерживать постоянное стехиометрическое соотношение реагирующих веществ.To reduce the negative impact of this factor, the operating modes of the "Furma-Gas-oxygen burner" system were experimentally determined, namely, the ratio of pure oxygen supplied to the gas-oxygen burner and natural gas is maintained in the ratio from 0.9:1 to 1.4:1, respectively , i.e. the stoichiometric coefficient for oxygen α is from 0.45 to 0.7. In this case, part of the natural gas, when flowing out of the burner, actively reacts with oxygen and burns near its mouth, and the unreacted gas burns out in the volume of air blast supplied for burning coke in the cupola. Thus, in the method according to the invention, it is possible to select and maintain a constant stoichiometric ratio of the reactants.

Также вследствие того, что горелка располагается коаксиально внутри фурмы, воздушное дутье в системе «Фурма-Газокислородная горелка», подается к газовому и кислородному потокам концентрически. За счет этого азот, находящийся в воздушном дутье, снижает реакционную активность свободного кислорода от горелки, создавая по внутреннему диаметру фурмы своеобразный экранирующий эффект. В результате снижается негативное термическое и химическое воздействие на конструктивные элементы фурмы.Also, due to the fact that the burner is located coaxially inside the tuyere, the air blast in the "Luhrma-Oxygen Gas Burner" system is supplied concentrically to the gas and oxygen flows. Due to this, the nitrogen in the air blast reduces the reactivity of free oxygen from the burner, creating a kind of screening effect along the inner diameter of the tuyere. As a result, the negative thermal and chemical impact on the structural elements of the lance is reduced.

При расчете объема и скорости истечения дутьевого газа из фурмы принимали во внимание следующее. При использовании газокислородной горелки и замещении 20-30% тепловой энергии от горения твердого топлива на газообразное, требуется снижение объема подачи воздушного дутья через фурму с 11000-13000 Нм³/ч до 9000-11000 Нм³/ч.When calculating the volume and velocity of the outflow of blast gas from the tuyere, the following was taken into account. When using an oxy-fuel burner and replacing 20-30% of the thermal energy from the combustion of solid fuel with gaseous fuel, it is required to reduce the volume of air blast through the tuyere from 11000-13000 Nm ³ /h to 9000-11000 Nm ³ /h.

При этом объем дутьевых газов на выходе из фурмы также будет ниже на 15-30% от первоначального объема. Это приводит к снижению скорости истечения дутьевых газов из фурмы, то есть снижению упругости дутья. Это влечет за собой снижение проникновения дутьевых газов, содержащих кислород, к центру вагранки. Для решения данной проблемы в настоящем изобретении уменьшено выходное сечение фурмы, обеспечивающее при новых условиях необходимую скорость истечения дутьевых газов в пределах 54-60 м/с. Уменьшение выходного сечения фурмы и снижение объема камеры смешения в системе «Фурма-Газокислородная горелка», позволило увеличить перемешивание дутьевых газов на дистанции между устьем горелки и выходным сечением фурмы, обеспечивая таким образом полное сгорание остатков топлива в камере смешения фурмы и продуваемость вагранки.In this case, the volume of blast gases at the outlet of the tuyere will also be lower by 15-30% of the initial volume. This leads to a decrease in the rate of outflow of blast gases from the tuyere, that is, a decrease in the elasticity of the blast. This entails a decrease in the penetration of blast gases containing oxygen to the center of the cupola. To solve this problem, in the present invention, the outlet section of the tuyere is reduced, which, under new conditions, provides the necessary speed of the outflow of blast gases in the range of 54-60 m/s. Reducing the outlet section of the tuyere and reducing the volume of the mixing chamber in the "Luhrma-Oxygen Gas Burner" system made it possible to increase the mixing of blast gases at a distance between the mouth of the burner and the outlet section of the tuyere, thus ensuring complete combustion of fuel residues in the mixing chamber of the tuyere and blowing through the cupola.

Что касается длины факела от горения природного газа в камере смешения, то она зависит от распределения чистого кислорода, подаваемого для горения природного газа, между центральным и наружным кислородными каналами горелки. Соотношение объема кислорода, подаваемого через центральный и наружный каналы, может составлять от 0,1:1 до 1:1. При инжекции кислорода по двум каналам одновременно увеличивается интенсивность смешивания газообразного топлива с кислородом, тем самым увеличивая реакционное взаимодействие природного газа с кислородом. В результате ряда экспериментов, путем различных вариантов распределения порции кислорода для горения между каналами №3 и №4 горелки (см. Фиг. 2), при постоянной подаче воздушного дутья через фурму, было установлено, что длина факела может быть уменьшена на 1/3 от первоначальной длины факела, когда кислород подавался только по наружному каналу горелки №3. В ходе экспериментов количество кислорода, подаваемого для горения природного газа, распределяли в разных пропорциях (2:1, 1:1) между каналами 3 и 4 горелки соответственно. В случае неполного горения газа в камере смешения наблюдается вымах пламени за пределы фурмы, и его негативное влияние на конструктивные элементы фурмы, из-за отражения языков пламени от кускового кокса холостой калоши, находящегося перед фурмой.As for the length of the flame from the combustion of natural gas in the mixing chamber, it depends on the distribution of pure oxygen supplied for the combustion of natural gas between the central and outer oxygen channels of the burner. The ratio of the volume of oxygen supplied through the central and outer channels can be from 0.1:1 to 1:1. When oxygen is injected through two channels, the intensity of mixing of gaseous fuel with oxygen simultaneously increases, thereby increasing the reaction interaction of natural gas with oxygen. As a result of a number of experiments, by various options for distributing a portion of oxygen for combustion between channels No. 3 and No. 4 of the burner (see Fig. 2), with a constant supply of air blast through the tuyere, it was found that the length of the flame can be reduced by 1/3 from the initial length of the torch, when oxygen was supplied only through the outer channel of burner No. 3. During the experiments, the amount of oxygen supplied for the combustion of natural gas was distributed in different proportions (2:1, 1:1) between channels 3 and 4 of the burner, respectively. In the case of incomplete combustion of gas in the mixing chamber, the flame extends beyond the tuyere, and its negative effect on the structural elements of the tuyere, due to the reflection of flames from the lump coke of the blank galosh located in front of the tuyere, is observed.

Указанные факторы обеспечили важное условие применения в вагранке для производства минеральной ваты - получение максимально равномерного распределения тепловых потоков от горелок и воздушных потоков из фурм. Это обеспечивает максимально равномерный процесс плавления смеси сырьевых материалов в вагранке и получения гомогенизированного расплава с необходимой и максимально стабильной температурой расплава, что крайне важно для дальнейшего получения качественного волокна.These factors provided an important condition for the use in a cupola for the production of mineral wool - obtaining the most uniform distribution of heat flows from burners and air flows from tuyeres. This ensures the most uniform process of melting the mixture of raw materials in the cupola and obtaining a homogenized melt with the required and most stable melt temperature, which is extremely important for further obtaining high-quality fiber.

Claims

1. A method for the production of mineral wool using a continuous shaft melting furnace, in which:

provide continuous supply to the upper part of the furnace stone material mixed with solid carbon fuel;

provide simultaneous supply through the tuyeres in the lower part of the furnace as oxygen-enriched air and natural gas required for its combustion, using burners placed in each tuyere evenly around the circumference of the furnace;

moreover, the oxygen supply through each tuyere is carried out through concentrically located burner channels, where oxygen is supplied at the first speed through the central channel surrounded by the natural gas supply channel, and oxygen is supplied at the second speed through the outer burner channel, concentrically located around the natural gas supply channel, the value of which is from 1 to 5 values of the first speed; moreover, oxygen and natural gas are fed through the burner into the tuyeres of the furnace in a ratio of from 0.9:1 to 1.4:1, respectively;

provide mixing of the gas-oxygen-air mixture in the burners and its combustion for the implementation of the melting of the stone material;

the resulting melt is sent to the fiberization unit, and then to the mineral wool carpet formation unit.

2. The method according to claim 1, in which an increased velocity of the outflow of blast gases formed in the tuyere as a result of natural gas combustion is provided in the range of 50-65 m/s, preferably 54-60 m/s.

3. The method according to p. 2, in which the increase in the rate of outflow of blast gases is provided by reducing the outlet section of the tuyere by 15-20% compared to the initial diameter of the standard tuyere of the furnace without installed burners.

4. The method according to p. 1, in which the ratio of the volume of oxygen supplied through the central and outer channels, regulate in the range from 0.1:1 to 1:1.

5. The method according to p. 1, in which the supply of oxygen through the central channel is carried out at a speed of 40-340 m/s.

6. The method according to p. 1, in which the supply of oxygen through the outer channel is carried out at a speed of 40-60 m/s.

7. The method according to p. 1, in which the supply of oxygen and natural gas through the lances is carried out in a horizontal direction.

8. The method according to claim 1, in which the power of all burners is smoothly adjusted to select the most efficient melting mode.

9. The method according to p. 1, in which, in order to select the most efficient melting mode, a part of the burners is optionally turned off.

10. The method of claim 9, wherein the total heat output generated is distributed equally among all operating burners.

11. The method of claim 9 or 10 wherein the total heat output of the burners is controlled by varying the volumes of oxygen and natural gas and the number of burners operating.

12. The method according to claim 11, in which when turning off more than two burners, the power of the remaining burners is increased by no more than 400 kW per burner.